第沙卷3瑞判issn1001053x19.北0景科技大学学报 Vol.19 197年2月 Joumal of University of Science and Technology Beijing Feh.1997 高炉开铁口机力能参数的选择 尹忠俊刘建平朱允言 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要通过理论分析和试验研究，提出了高炉开铁口机力能参数的计算方法. 关蟹词开铁口机、力能参数，高炉 本文从钻头的受力分析出发，推导出送进力和旋转扭矩的计算公式，为开铁口机力 能参数的选择提供了理论依据， 1钻头的受力分析与计算 对于整个开铁口机来说，与炮泥直接接触的是钻头，所以各机构力能参数的确定必须从 钻头的受力分析人手，图1表示钻头工作时的受力情况. N∫一作用在钻乃正面的正压力和摩擦力； N2,一作用在钻刃侧面的正压力和摩擦力； 一由于旋转在钻刃正面严生的摩擦力； 4一钻头与炮泥之间的摩擦因数， 图1钻头的受力分析 列出轴向力的平衡方程： 2N sina +2f cosa+2f-Po =0 则 P。=2N1sinx+ucoSa)+2N2·4 (1) 式中，2x一钻头顶角 考虑到钻孔时，主要是靠挤压破碎完成钻孔的，所以： N=GS,N2=GS2 (2) S:=Lh tgB,S2 =L h sina. (3) 式中，S,S分别为正向和侧向的挤压面积：B一钻头切削角；。一炮泥的挤压破坏 1996-03-20收稿 第一作者男33岁博士
第 珍 卷 增刊 男 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加戚目 面饭抑 歇妇耽 川 效如眺粉 致攀雌 口 珍 侧叹 望刀 高炉 开铁 口 机力能参数 的选择 尹 忠俊 刘建 平 朱 允 言 北 京科 技大 学机械工 程 学院 ， 北 京 仅试〕 摘 要 通 过理 论 分析 和 试验研究 ， 提 出了高炉 开铁 口 机力能参数的计算方法 关键词 开铁 口 机 ， 力 能参数 ， 高炉 本文从钻 头 的受 力分 析 出发 ， 推导 出送 进 力 和 旋 转扭 矩 的计 算公 式 ， 为 开 铁 口 机 力 能参数的选 择提供 了理论依据 钻头 的受力分析与计算 对于 整 个 开铁 口 机来说 ， 与炮 泥直接接触 的是 钻 头 ， 所 以 各机构力能参数 的确 定必 须从 钻 头的受力分 析人 手 图 表示 钻头工作时的受力情 况 公 、 。 从 ， 为一 作用在 钻 刃 正 面 的 正 压 力和 摩 擦力 ， 关一 作用 在钻 刃 侧 面 的正 压力 和摩擦力 玉一 由于 旋转在钻刃 正 面 严 生 的摩擦 力 拜一 钻头 与炮 泥 之 间的摩擦 因数 ﹃ 与洲 、乡、、、 、 健少卜多‘ 刀 图 钻头的受力分析 列 出轴 向力 的平衡方程 一 卜 五 五一 二 则 ， 召 从 · 式 中 ， 二 一 钻 头顶 角 考虑到 钻孔 时 ， 主要 是靠挤压破 碎完成钻孔 的 ， 所 以 ， 从 又 ， 刀 ， 式 中 ， 民 ， 分 别 为 正 向 和 侧 向 的 挤 压 面 积 刀 一 钻 头 切 削 角 一 炮 泥 的挤 压 破 坏 哭巧一 一 收 稿 第一作者 男 岁 博士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．s1．012
Vol.19 尹忠俊等：高炉开铁口机力能参数的选择 ·45· 强度；L一钻刃长度；h一钻头切入深度 钻头切人深度可由钻进速度v、钻头转速n及钻刃数Z来确定，即h=v/Zn;而钻刃长度 属于几何尺寸，即L=D2simx,式中D为钻头直径. 将上列各式联合，便可以求出送进力P。: P。=(aDv)(eB+μtgBtga+u)/Zn) (4) 同样，列出力矩平衡方程： M。-2N2e-2fe=0 (5) 式中，e-合力作用点到轴线的距离. 由于作用于钻刃侧面的力呈三角形分布川，所以，在作等效力简化时，认为它通过 三角形的重心.即、e=(23)(D2)=D3,因此 M。=(2/3)D(N2+μN,)=(aD2v(1+μtgB/sing)/3Zn) (6) 送进力P和旋转扭矩M。确定之后，便可以计算进给功率N和旋转功率N。: N=P。vm,=(D vtgB+igBtga+μ)Znn,) (7) N。=M。0m。=(πoD2v)(l+utgB /sina)/90Znn) (8) 式中：1，”。分别为送进机和旋机的传动效率. 2旋转冲击式开铁口机力能参数的确定方法 随着高炉大型化和冶炼强度的提高，大大增加了打开出铁口的难度，为了适应高炉生 产的需要，旋转和冲击相结合的开铁口方法被广泛采用. 由于冲击作用下应力状态非常复杂，所以很难从理论上进行定量分析，然而试验研究 可以提供许多有意义的信息.下面是一组在BK型开铁口机上进行试验获取的试验数据， 见表1. 表1力学性能参数实测值与计算值比较 试验材料 26.590 30.13o 挤压强度 实测 计算 实测 计算 M,N·m 41.5 44.9 41.5 43.7 无 N。kW 1.92 1.76 1.94 1.72 冲 Vmm·s-1 16.9 14.5 击 P/N 3900 3977 3920 3866 N./kW 0.07 0.06 MoN·m 58.0 一 58.9 有 NkW 2.68 一 2.64 冲 Vmm·s-l 35.4 29.0 击 P/N 1411 1408 N./kW 0.05 0.04 *G单位为Nmm2
尹 忠俊等 高炉 开铁 口 机力 能参数的选 择 · · 强度 一 钻刃 长度 一 钻 头切人深度 钻 头切人 深度可 由钻进速度 、 钻头转速 及 钻 刃 数 来确定 ， 即 二 而 钻刃 长度 属于 几 何 尺 寸 ， 即 二 ， 式 中 为钻 头直 径 将上 列 各式联 合 ， 便 可 以 求 出送 进力 尸 。 。 刀 拜 刀 一 ， 群 同样 ， 列 出力矩 平衡 方 程 一 。 一 万 式 中 ， 一 合 力 作 用 点到 轴 线 的距 离 由于作 用于 钻刃 侧 面 的力 呈 三 角形分 布 ， 所 以 ， 在 作 等 效 力 简 化 时 ， 认 为 它 通 过 三 角形 的重 心 即 ， 。 ， 因此 拜 ， 吞 送进力 和旋转扭矩 确定之后 ， 便可 以计算进 给功率 和旋转功率 叮 位 今 口 一‘ 吞 一 ‘ 拜 叮 。 叮 。 二 ， 群 刀 。 叮 式 中 叮 ， 叮 。 分别 为送进机 和旋机 的传动效 率 旋转冲击式开铁 口 机力能参数 的确定方法 随着 高炉大 型 化和 冶炼强 度 的提 高 ， 大 大增 加 了打 开 出铁 口 的难 度 为 了适 应 高 炉 生 产的需要 ， 旋转和冲击相 结合 的开铁 口 方 法 被 广泛 采用 由于 冲击作 用下 应力 状态非 常复杂 ， 所 以很难从理论上进行定量分 析 ， 然 而 试验研 究 可 以提供许多有意 义 的信 息 下 面是 一组 在 型 开铁 口 机 上 进 行 试 验 获 取 的 试 验 数 据 ， 见表 表 力学性能参数实测值与计算值 比较 试验材料 挤压强 度 万 口 口 峥月，‘ 、一 。 上一 ‘主，起派一‘，勺了了 实测 万 肠 一︸气以勺、︸，一八八︸‘护战一林了 姗 一 联供 从闪 · 吸 · 一 ’ 从 · 瓜 下 · 一 ， 击无冲 击有冲 一 单位 为
·46· 北京科技大学学报 1997年 试验条件：旋转机构转速n=378rmin,冲打激振力F=l0kN,送进机构配重质量W =400kg.激振频率=25Hz,钻头直径D=50mm,钻头顶角2a=120°，钻头刃角 B=60,μ=0.25 从表1可以看出，在单纯旋转钻孔时，理论计算与实测值比较接近，说明理论计算式 很有参考价值.比较有冲击和没有冲击的试验结果，可以看出，加上冲击后，钻孔速度几 乎可以提高1倍.值得注意的是，要比较两者的能量消耗，必须作如下处理.取同样的时 间t=1s,不冲击时： 能量消耗A1=N。t=1920N·m,A2=N。t=1940N·m 钻孔深度H1=vt=16.9mm,H2=vt=14.5mm 单位钻孔深度消耗的能量=A1/H1=114N·mmm,=A,/H2=134N·mmm. 有冲击时： 能量消耗A1'=N。t=2680N·m,A2'=N。t=2640N·m 钻孔深度H'=vt=35.4mm,H,'=vt=29mm. 单位钻孔深度消耗的能量J'=A,/H,'=76N·mmm,'=A2'/H,'=91N·mmm 显然，钻同样深度的孔，两种方法消耗的能量是不同的.再进一步分析会发现： J=1.5:2/=1.47 这说明钻同样深度的孔，单纯旋转比加中击多消耗大约50%的能量.这一点从粉碎功的 角度很容易做出解释.从钻削的粉末可以和出，单纯钻削，粉末很细，而加上冲打之后， 大块颗粒明显增多，颗粒大，比表面积小，能耗低；颗粒小，比表面积大，能耗高，所以 加冲击可以降低能耗这是勿庸置疑的，因此有理由将该结论应用到旋转冲击式开口机力 能参数的计算中，即旋转机构和送进机构的功率消耗可简单地近似写为： N'=N/1.5;N,'=N/1.5 在接受(7)，(8)式可行性之后，会发现一个问题，无论是理论计算，还是实际测量，旋转 机构消耗的功率都很切合实际.然而送进机构消耗的功率却都很小，比现有设备能力小很 多，可以证明以前送进机构的功率选择存在较大的盲目性，造成浪费的同时，更严重的是使 送进机构庞大，干扰了设备的合理布局， 3结论 (I)钻头的结构(D、Y、B)直接影响送进力P。和旋转扭矩M。,合理的钻头形状有利于 钻孔效率的提高 (2)送进力和旋转扭矩与钻孔速度成正比，与钻头转速成反比， (③)送进力和旋转扭矩随着炮泥硬度变化而变化.目前我国一直沿用苏联普氏分级方 法，采用符号表示岩石可钻性，=σ×10~炮泥的硬度介于冻结的土壤(=2)和中 等硬度岩石(=3)之间，所以在炮泥抗压强度选择时，一般取2~3，小高炉取小值， 大高炉取大值，最大不会超过4 (4)加冲击可以使钻孔速度提高1倍，使能量消耗降低50%
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 男 年 试验条件 旋转机构转速 。 而 冲 打激振 力 汽 ， 送进机构配重 质量 激 振 频 率 ， 钻 头 直 径 ， 钻 头 顶 角 “ ， 钻 头 刃 角 刀 ， 拜 从表 可 以看 出 ， 在单纯旋 转钻孔 时 ， 理 论计算 与实测值 比较接 近 ， 说 明理论计 算式 很有参考价值 比较有 冲击和没有冲击 的试 验 结 果 ， 可 以 看 出 ， 加 上 冲 击 后 ， 钻 孔 速 度 几 乎可 以提 高 倍 值得 注意 的是 ， 要 比较两者 的能量 消耗 ， 必 须 作 如 下 处 理 取 同 样 的 时 间 二 ， 不 冲击 时 能量 消耗 。 · ， 戈 · · 钻孔深度 万 ， · · 单位钻孔 深度 消耗 的能量 不 ， 二 · ， 人二 担 二 · 有冲击时 能量 消耗 ‘ · ， ’ 戈 · 钻孔 深度 私 ‘ 二 、 二 ， 从 ’ 二 · 单位 钻孔 深度 消耗 的能量 刃 鱿 ‘ · 坷 ， 刃 丸，从 ‘ 二 · 显然 ， 钻 同样深度 的孔 ， 两种方 法消耗 的能量 是 不 同的 再进一步分析会发现 不从 ‘ 二 人 ‘ 这说明钻 同样深度 的孔 ， 单纯旋转 比加 冲击 多 消 耗 大 约 的 能 量 这 一 点 从 粉 碎 功 的 角度很容易做 出解释 从钻 削 的粉末 可 以 千 出 ， 单纯 钻 削 ， 粉末 很 细 ， 而 加 上 冲打之后 ， 大块颗粒 明显增 多 颗粒大 ， 比表面 积小 ， 能耗低 颗 粒 小 ， 比表 面 积 大 ， 能耗高 所 以 加冲击可 以 降低能耗这是 勿庸置 疑 的 因此 有 理 由将 该 结 论 应 用 到 旋转冲 击式 开 口 机力 能参数 的计算 中 即旋转机构和送进 机构 的功 率 消耗 可 简单地 近 似写 为 ‘ ‘ 在接受 、 式 可行性 之后 ， 会发现一 个 问题 ， 无论是理论计算 ， 还 是 实 际 测 量 ， 旋 转 机构消耗 的功 率都很切合实际 然而送进机 构 消 耗 的 功 率 却 都很 小 ， 比现 有 设 备能 力 小 很 多 可 以证 明以 前 送进机构 的功率选择存在 较大 的盲 目性 ， 造 成浪 费 的 同 时 ， 更 严 重 的是 使 送进机构庞大 ， 干扰 了设备 的合理 布局 结论 钻 头 的结 构 、 、 口 直接影 响送进力 和 旋转扭矩 ， 合理 的钻 头 形 状 有 利 于 钻孔效率的提 高 送进力 和 旋转扭 矩 与钻孔 速度成正 比 ， 与 钻 头转速成反 比 送进力 和旋 转扭矩 随着炮 泥硬度 变化而 变化 目前 我 国 一 直 沿 用 苏联 普 氏分 级 方 法 ， 采用符 号 少表 示 岩 石 可 钻 性 ， 刘 一 炮 泥 的 硬 度 介 于 冻 结 的 土 壤 和 中 等硬度岩石 之 间 ， 所 以在炮 泥抗压强 度 选择 时 ， 一般取 一 ， 小 高炉 取 小 值 ， 大高炉取大值 ， 最 大不 会超过 加冲击可 以 使钻孔 速度提 高 倍 ， 使能量 消耗 降低
Vol.19 尹忠俊等：高炉开铁口机力能参数的选择 ·47。 (5)以往设计的送进机构，大部分功率选择偏大，可以适当减小， 参考文献 1陈玉凡，朱详.钻孔机械设计，北京：机械工业出版社，1987 Force-Power Parameters Selection of BF Tap Hole Machine Yin Zhongjun Liu Jianping Zhu Yunyan College of Mechanical Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper put forwards a method of force power parameters of tap hole machine by aid of theoretical analysis and experimental research. KEY WORDS tap hole machine,force-power parameters,BF
尹 忠俊等 高炉 开铁 口 机力能参数的选 择 以往设 计 的送进机构 ， 大部分功率选择偏大 ， 可 以适 当减小 参考文献 陈玉 凡 ， 朱详 钻孔 机械设计 北京 机械工 业 出版社 ， 一 亩 肋 司 叼 ， ， 《 犯 ， 七治 勿 】万 以 刀 ℃℃ 坦 ， 毗 一 记 ， 毗 允
